化工原理第六章

1、1第六章 蒸发 通过本章学习，掌握蒸发操作的特点、蒸发器的类型、蒸发过程计算，能够根据生产工艺要求和物料特性，合理选择蒸发器类型并确定适宜操作流程和条件。学习目的与要求26.1 概述第六章 蒸发3蒸发 将含有不挥发溶质的溶液加热至沸腾，使部分挥发性溶剂汽化并移除，从而获得浓缩溶液或回收溶剂的操作。 向蒸发器连续提供足够的热量并及时移除汽化的溶剂。 蒸发操作的基本要点一蒸发的目的4蒸发操作的目的（1）制取增浓的液体产品 如电解烧碱液的浓缩，牛乳制奶粉生产中牛乳的浓缩，蔗糖水溶液及各种果汁的浓缩等。（2）纯净溶剂的制取 如海水淡化等。（3）同时制备浓缩溶液和回收溶剂 如中药生产中酒精浸出液的蒸发。

2、一蒸发的目的5二蒸发的概念图6-1 液体蒸发的简化流程6三蒸发过程分类加压蒸发常压蒸发真空（减压）蒸发 操作压力蒸发器进、出料状况间歇蒸发连续蒸发7单效蒸发多效蒸发 二次蒸汽是否用作另一蒸发器的加热蒸汽并流逆流平流三蒸发过程分类8四蒸发操作的特点1溶液的沸点升高 由于不挥发溶质的存在使溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。 对于垂直管式蒸发器，管内液柱的静压力及蒸汽在管道内的流动阻力也会引起溶液的沸点升高。 沸点升高使传热推动力降低。 92热能的综合利用 蒸发时需要消耗大量加热蒸汽，而溶剂汽化又产生相应量的二次蒸汽，因而强化与改善蒸发器的传热效果，充分利用二次蒸汽的潜热，应给予足够的重视。四蒸发操作的特

3、点103溶液的工艺特性 蒸发过程中溶液的某些性质随着溶液的组成而改变。有些物料在浓缩过程中可能析出结晶、发泡、严重结垢、变性分解、黏度增高、腐蚀性增大等。在选择蒸发工艺和设备时需要认真考虑。四蒸发操作的特点11第六章 蒸发6.2 蒸发设备 6.2.1 循环型蒸发器12一、垂直短管型蒸发器图6-2 中央循环管式蒸发器1加热室；2中央循环管；3蒸发室；4外壳13一、垂直短管型蒸发器图6-3 悬筐式蒸发器1分离室；2加热室；3除沫器；4液沫回流管14二、垂直长管型蒸发器图6-4 外加热式蒸发器1加热室；2分离室；3循环管 15图6-5 列文式蒸发器1加热室；2加热管；3循环管；4蒸发室；5除沫器；6

4、挡板；7沸腾室二、垂直长管型蒸发器16图6-6 强制循环式蒸发器 1加热管；2循环泵；3循环管；4分离室；5除沫器 二、垂直长管型蒸发器17三、直接接触传热蒸发器图6-7直接接触传热蒸发器1燃烧室；2点火管；3测温管；4外壳18四循环型蒸发器的主要类型及其性能比较常用循环型蒸发器的结构特点及主要性能汇总于表6-1。19第六章 蒸发6.2 蒸发设备 6.2.1 循环型蒸发器6.2.2 单程型蒸发器 20一升膜式蒸发器图6-8 升膜式蒸发器1蒸发器；2分离室；21图6-9 降膜式蒸发器1蒸发器；2分离室；3布膜器二降膜式蒸发器22三升降膜式蒸发器图6-11 升降膜蒸发器1预热器；2升膜加热室；3降

5、膜加热室；4分离室23四刮板薄膜蒸发器 图6-12 刮板薄膜蒸发器 24五单程型蒸发器性能的比较 几种单程型蒸发器的结构特点与操作性能如表6-2所示。 25第六章 蒸发6.2 蒸发设备 6.2.1 循环型蒸发器6.2.2 单程型蒸发器 6.2.3 蒸发设备和蒸发技术的进展26一开发新型、高效蒸发器新型高效蒸发器的研究开发有如下途径：（1）研制设备更加紧凑、提高液体速度、增加液膜湍动、缩短料液在设备中停留时间的高效、节能型蒸发器。（2）通过改进加热表面形状来提高加热效果。 27（3）在蒸发器中插入不同形式的湍流元件，可使沸腾液体侧的对流传热系数大幅度提高。（4）不同结构蒸发器的组合。一开发新型、

6、高效蒸发器28二蒸发与其它单元操作相结合 将蒸发与其它化工单元操作结合，构成集成式的工艺流程，如蒸发干燥、蒸发分馏、蒸发结晶等。29三、蒸发器传热的强化及防除垢技术（1）通过改变加热表面形状或其它增加液膜湍动措施来强化传热，并减缓结垢。（2）通过改变料液性质来提高传热效果。（3）气液固三相流化床蒸发器在蒸发中的防除垢及强化传热效果十分显著，具有高效、多功能、易操作等一系列优点。 30第六章 蒸发6.2 蒸发设备 6.2.1 循环型蒸发器6.2.2 单程型蒸发器6.2.3 蒸发设备和蒸发技术的发展6.2.4 蒸发器的选型31蒸发器的选型原则 对物料的工艺特性有良好的适应性，其中对黏度在蒸发过程中

7、的增加程度及结垢情况应给予特别注意。 满足生产工艺对完成液质和量的要求。 结构简单，操作可靠，造价和操作费用低廉，经济合理，维修方便。 32第六章 蒸发6.2 蒸发设备 6.2.1 循环型蒸发器6.2.2 单程型蒸发器6.2.3 蒸发设备和蒸发技术的发展6.2.4 蒸发器的选型6.2.5 蒸发器的辅助设备（自学）33第六章 蒸发6.3 单效蒸发的计算6.3.1 物料衡算与热量衡算34一物料衡算11()oFxFWxLx01(1)xWFx完成液的流量001FxFxxFWL水分蒸发量 完成液的组成 35二热量衡算01()cLDHFhWHFW hDhQ10() ()cLQD HhWHFW hFhQ对蒸

8、发器作热量衡算 蒸发器的热负荷 蒸发器的热损失361.溶液稀释热较大的情况 某些盐、碱的水溶液，在稀释时其放热效应非常显著。 蒸发是稀释的逆过程。 需通过实验测定焓值随组成和温度的变化。二热量衡算37图6-15 氢氧化钠的焓浓图二热量衡算3810 ()LWHFW hFhQDr10()LQDrWHFW hFhQ加热蒸汽消耗量 加热蒸汽的冷凝潜热蒸发器的热负荷 二热量衡算10() ()cLQD HhWHFW hFhQ冷凝水在饱和温度下排出时 392. 溶液稀释热可忽略的情况 大多数溶液在溶质含量不太高时，其稀释热不显著，常可忽略。对于这类溶液，其焓值可由比热容近似计算。以0的溶液为基准，则00 0

9、hc t11 1hc t原料液比热容完成液的比热容二热量衡算40000(1)WBccxc x 水溶液的比热容可由水的比热容和溶质的比热容近似按线性加和原则计算 111(1)WBccxc x溶质的比热容水的比热容二热量衡算41联立物料衡算和热量衡算式，可得 1010()()WLDrW Hc tFc ttQ热损失使水在t1下汽化成二次蒸汽将原料液由t0升温至沸点t1加热蒸汽供热二热量衡算42近似取 1WHc tr水在t1的汽化热 则有010()LWrFc ttQDr若原料液在沸点下加入蒸发器并忽略热损失，则 单位蒸汽消耗量DreWr二热量衡算43对于单效蒸发，若忽略水的汽化热随压力的变化，理论上：

10、 实际上由于热损失和浓缩的热效应等原因 1.1e 1e 二热量衡算44第六章 蒸发6.3 单效蒸发的计算6.3.1 物料衡算与热量衡算6.3.2 蒸发器的传热面积45蒸发器的传热面积由传热速率方程计算，即 00mQSKt由蒸发器的热量衡算确定大多取经验数值必须考虑溶液沸点升高46一溶液的温度差损失1mtTt单效蒸发传热的有效温度差 单效蒸发传热的理论总温度差 TctTt总温度差损失1Tmctttt 47 引起蒸发中温差损失（沸点升高）的因素包括如下三个方面：溶液中不挥发溶质引起的饱和蒸汽压下降；一溶液的温度差损失垂直传热管中液柱静压力（膜式蒸发器除外）使液面下的静压力高于液面上分离空间的静压力

11、；二次蒸汽在管道内的流动阻力和热损失。 所以48二溶液沸点升高的计算1溶质存在引起的沸点升高BtT 与溶液压力相等时水的沸点溶液的沸点49溶液沸点：与操作压力、溶液种类及其组成有关。获取查手册附录中估算杜林规则（Duhrings rule） 二溶液沸点升高的计算50杜林规则（Duhrings rule） 一定组成的某种溶液的沸点与相同压力下标准液体（一般以水为标准液体）的沸点呈线性关系。 BWtkty杜林线的截距杜林线的斜率二溶液沸点升高的计算51图6-16 NaOH水溶液的杜林线图二溶液沸点升高的计算52 其他压力下溶液的沸点升高，在缺乏实验数据时可用下面经验公式近似估算，即af 常压下(1

12、01.3kPa)由于溶质存在引起的沸点升高操作压力下由于溶质存在引起的沸点升高校正系数22730.0162WTfr二溶液沸点升高的计算532液柱静压头引起的沸点升高 以液层中部点的压力和沸点代表整个液层的平均压力和沸点 2mmgLpp液面处压力 液层平均压力mBtt 与压力pm对应的溶液沸点与压力p对应的溶液沸点 二溶液沸点升高的计算543流动阻力引起的沸点升高 由于管路中流动阻力，使蒸发器内二次蒸汽的温度高于冷凝器内的温度，称为流动阻力引起的沸点升高。 一般取经验值，从蒸发器至冷凝器取11.5，各效之间取为1。二溶液沸点升高的计算55第六章 蒸发6.3 单效蒸发的计算6.3.1 物料衡算与热

13、量衡算6.3.2 蒸发器的传热面积6.3.3 蒸发器的生产强度56生产能力一蒸发器的生产能力单位时间内蒸发的水分量，其单位为kg/h。 00WmK StQrr57二蒸发器的生产强度（蒸发强度）生产强度 单位时间内单位传热面积上蒸发的水分量，用U表示，其单位为kg/（m2h）。 00mKtWUSr 提高蒸发强度的基本途径是提高总传热系数和传热平均温度差。 58第六章 蒸发6.3 单效蒸发的计算6.3.1 物料衡算与热量衡算6.3.2 蒸发器的传热面积6.3.3 蒸发器的生产强度6.3.4 加热蒸汽的经济性和蒸发过程 的节能措施59加热蒸汽的经济性1kg加热蒸汽所能蒸发的水分量 1WEDe 实际蒸

14、发装置中，由于热损失、浓缩热的存在，其经济性必然小于1。一加热蒸气的经济性60二蒸发过程的节能措施为了提高加热蒸汽的经济性，可采用的措施：1多效蒸发2额外蒸汽的采出3热泵蒸发4冷凝水热量的利用图6-17 蒸汽热泵蒸发流程61第六章 蒸发6.4 多效蒸发6.4.1 多效蒸发的流程62一、并流63 1利用各效间压差自动进料，可省去输液泵。 2前效温度高于后效，进料呈过热状态，产生自蒸发，各效间可不设预热器。 3辅助设备少，装置紧凑，温差损失少。 4操作简便，工艺稳定。 优点一、并流64缺点 后效温度低，组成高，料液黏度增大，降低了传热系数。 一、并流65二、逆流66二、逆流 1随着料液组成提高，温

15、度相应提高，黏度变化小，各效传热系数相差不大，可充分发挥设备潜力。 2完成液排出温度较高，可利用显热在减压下闪蒸增浓，提高完成液组成。 优点67二、逆流缺点 1辅助设备多，动力消耗大 2不适于处理热敏性溶液 3操作复杂，工艺不易稳定 68三、错流69三、错流 1兼有并、逆流优点。 2供料方式可调整。 优点缺点 操作复杂，需有完善的自动仪表控制系统来保证实现稳定操作 70四、平流71第六章 蒸发6.4 多效蒸发6.4.1 多效蒸发的流程6.4.2 多效蒸发的计算（自学）72第六章 蒸发6.4 多效蒸发6.4.1 多效蒸发的流程6.4.2 多效蒸发的计算6.4.3 多效蒸发与单效蒸发的比较73一加

16、热蒸汽的经济性 多效蒸发中通过二次蒸汽的再利用而提高加热蒸汽的经济性。理想情况下，单效蒸发11DeWn效蒸发11/neenn 实际蒸发操作中，存在热损失，各种温度差损失、浓缩热及不同压力下汽化热的差别等因素。74二蒸发强度假设： 单效蒸发与多效蒸发的生产任务和操作条件（包括加热蒸汽压力、冷凝器的操作压力）均相同，且假设各效蒸发器的传热面积及传热系数也与单效蒸发器的相等，则多效蒸发器的生产强度为 010()nTiiiiKQUtr nSr n 多效蒸发中，加热蒸汽经济性的提高是以降低蒸发强度为代价换得的。75三溶液的温度差损失图6-19 单效、双效和三效蒸发装置中的温度差损失 76第六章 蒸发6.

17、4 多效蒸发6.4.1 多效蒸发的流程6.4.2 多效蒸发的计算6.4.3 多效蒸发与单效蒸发的比较6.4.4 多效蒸发的适宜效数77多效蒸发的适宜效数 多效蒸发受如下因素制约，使其效数受到一定限制： 随着效数增加，温度差损失加大。 随着效数的增加，加热蒸汽的经济性提高的幅度降低，在逆流加料蒸发中，动力消耗却加大。 随着效数增加，蒸发强度下降，设备投资费用增大。 为了使蒸发操作有效进行，各效蒸发器中有效温度差不得小于57。78第六章 蒸发6.5 生物溶液的增浓6.5.1 生物溶液的蒸发79一生物溶液的特性生物溶液具有如下工艺特性：（1）热敏性，溶液中的溶质易粘连到传热壁面上，造成局部过热，甚至焦化。（2）在蒸发过程中，有些物料中细菌增长很快，而且附着在设备壁面上，因此，要求设备应便于清洗。（3）溶液的沸点升高小，常可忽略。80二.蒸发设备和操作条件的选择降低操作温度，宜采用真空蒸发缩短受热时间，设备必须提供很高的传热速率81第六章 蒸发6.5 生物溶液的增浓6.5.1 生物溶液的蒸发